FACHHOCHSCHULE DORTMUND
VERDAMPFUNGSSIMULATION
Verdampfung simulieren. Stabilität untersuchen.
Ausgehend von einer Anfrage aus der Industrie wurde untersucht, inwieweit sich die Verdampfung von Kohlenstoffdioxid (CO₂) numerisch abbilden lässt. Als Modellfall diente eine vertikale Rohrströmung mit Wärmezufuhr. Dafür entstand ein vollständig parametrisierter Simulationsaufbau in Ansys Workbench, ergänzt um ein selbst entwickeltes Excel/VBA-Werkzeug zur analytischen Auslegung und Netzvorbereitung. Die Verdampfung wurde transient simuliert und das numerische Verhalten des Modells systematisch untersucht.
Arbeitsumfang: Literaturrecherche, analytische Auslegung, CFD-Modellbildung, vollständige Simulationsparametrisierung, Excel/VBA-Programmierung, Netzgenerierung, transiente Simulation, Netzkonvergenz- und Sensitivitätsanalysen sowie Ergebnisauswertung
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SIMULATIONSPRINZIP
Durchströmen. Beheizen. Verdampfen.
Flüssiges CO₂ strömt von unten durch ein vertikales Rohr. Über die Rohrwand wird Wärme zugeführt. Ein Teil der Flüssigkeit verdampft, sodass eine Zweiphasenströmung aus Flüssigkeit und Dampf entsteht.
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SIMULATIONSAUFBAU
Vom Wärmetauscher zum Einzelrohr
Die Masterarbeit knüpft an eine vorausgegangene Untersuchung an, in der die Verdampfung von CO₂ in einer Rohrströmung nicht abgebildet werden konnte. Grund dafür waren Konvergenzprobleme, deren Ursachen sich nicht abschließend klären ließen.
Um den Verdampfungsprozess in einem Rohrbündelwärmetauscher gezielt zu untersuchen, wurde das Modell auf ein einzelnes beheiztes Rohr vereinfacht. Die zweidimensionale, rotationssymmetrische Modellierung reduzierte den Rechenaufwand. Das Rohr wurde vertikal angeordnet, sodass die Schwerkraft entlang der Rohrachse wirkte und im rotationssymmetrischen Modell berücksichtigt werden konnte.
Eine veröffentlichte experimentelle Untersuchung zur Verdampfung von CO₂ in einer aufwärtsgerichteten Rohrströmung lieferte die Ausgangswerte für Druck, Temperatur, Massenstromdichte, Rohrdurchmesser und Wärmezufuhr.
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PROZESSKETTE
Automatisierte Ausgelegung. Gezielte Untersuchung.
Die gesamte Prozesskette wurde in Ansys Workbench aufgebaut. Die Geometrie wurde mit Ansys Geometry modelliert und mit Ansys Mesh vernetzt. Darauf folgten zwei aufeinander aufbauende Simulationen in Ansys Fluent: Die erste initialisierte die Strömung im stationären Zustand ohne Wärmestrom. Die zweite übernahm die sich einstellende Strömung und berechnete den instationären Verdampfungsprozess mittels eines Wärmestroms. Das Postprocessing erfolgte in Ansys Results.
Alle Parameter wurden zentral in Workbench verknüpft. Das selbst entwickelte Excel/VBA-Werkzeug berechnete die abhängigen Auslegungs- und Netzparameter automatisiert. Bei Änderung der Massenstromdichte wurden beispielsweise Rohrabmessungen, Wärmestrom und die gesamte Vernetzung automatisch angepasst.
Die Modell- und Solver-Einstellungen wurden direkt in Fluent angepasst und die Simulationen dort gestartet. Die Stofftabellen aus miniREFPROP wurden mit Python in RGP-Tabellen für Fluent überführt.
Damit entfielen die wiederholte manuelle Auslegung und der Neuaufbau für jede Variante. Diese Automatisierung machte die umfangreichen Untersuchungen zum Konvergenzverhalten und zur numerischen Stabilität erst möglich.
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Schematischer Aufbau der Simulation in Ansys Workbench
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FACHLICHER EINBLICK
Mehr zur Arbeit. Schon jetzt zum Nachlesen.
Auf den bisherigen Überblick folgen hier nach und nach weitere Details zur Arbeit. Wer schon jetzt tiefer einsteigen möchte, erhält mit drei Leseproben Einblick in die theoretischen Grundlagen, den Simulationsaufbau und die Konfiguration des VOF-Modells.
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Grundlagen
Thermodynamik, Wärmeübertragung und Zweiphasenströmungen in vertikalen Rohren.
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Simulationsaufbau
Geometrie, Vernetzung und Aufbau der Berechnung in Ansys Workbench und Fluent.
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VOF-Modellkonfiguration
Gewählte Modelle, numerische Einstellungen und ihre fachlichen Begründungen.
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KONTAKT
Fragen zur Arbeit?
Sie möchten mehr über die Simulation oder meine Vorgehensweise erfahren? Ich freue mich auf Ihre Nachricht.
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Titelbild: Rohrbündelwärmetauscher (Symbolbild), Quelle: ENCO Energie Componenten.